(57)【要約】【課題】  小型であってもスイッチング動作特性が安定し、かつ、汎用性のあるマイクロマシンスイッチを備えたモノリシックマイクロ波集積回路を提供すること。【解決手段】  モノリシックマイクロ波集積回路１のマイクロマシンスイッチ５を、固定電極９とこの固定電極９に対向して設けられた可動電極１０による平行平板構造で構成し、かつ、両電極９、１０の接触面９ａ、１０ａは相互に噛み合うような凹凸形状に形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、この半導体基板に設けられたマイクロ波トランジスタと、前記半導体基板に設けられ前記マイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路と、前記半導体基板に設けられたマイクロマシンスイッチを有するモノリシックマイクロ波集積回路であって、
前記マイクロマシンスイッチは、前記半導体基板側に設けられた固定電極とこの固定電極に対向して設けられた可動電極による平行平板構造で、かつ、両電極の接触面は相互に噛み合うような凹凸形状に形成されていることを特徴とするモノリシックマイクロ波集積回路。
【請求項２】
前記可動電極は、前記固定電極との接触面の背面側に該可動電極よりも硬質部材で形成された梁用電極を有していることを特徴とする請求項１記載のモノリシックマイクロ波集積回路。
【請求項３】
前記固定電極と可動電極との接触面に形成された凹凸形状はジグザグ状であることを特徴とする請求項１又は２記載のモノリシックマイクロ波集積回路。
【請求項４】
半導体基板にマイクロ波トランジスタの半導体素子部分を作る素子作成工程と、前記半導体基板にマイクロ波トランジスタの電極を形成する電極作成工程と、前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタの電極を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記半導体基板にマイクロマシンスイッチを形成するスイッチ形成工程と、前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路を形成する伝送路形成工程とを備えたモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法であって、
前記スイッチ形成工程は、対向して配置されている固定電極と可動電極との接触面が相互に噛み合うように、前記固定電極と可動電極との接触面に対して凹凸形状に形成する工程を含んでいることを特徴とするモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、化合物半導体を用いたモノリシックマイクロ波集積回路および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）を初めとする化合物半導体系モノリシックＩＣは、その化合物半導体材料の優れた電子輸送特性を、それらのＩＣに搭載されるＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子の高速化実現に最も有効に利用できるデバイスである。このため、化合物半導体系ＭＭＩＣは、衛星用集積回路，移動体マイクロ波集積回路，ミリ波集積回路等を扱う技術分野への応用が図られており、近年の移動体無線の発展によりさらにその需要が見込まれている。
【０００３】
従来、ＧａＡｓＦＥＴを能動素子とするモノリシックマイクロ波集積回路（以下、ＭＭＩＣと略す）の半導体基板の上に、マイクロマシンスイッチとして静電力駆動型の平行平板容量スイッチ、あるいは、接触スイッチを形成する場合、構造的には下部電極（固定電極）とそれに対向して配置された上部電極（駆動電極）との両電極間の接触面となる対向面が、それぞれ平坦になっている形状が広く用いられていた（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
なお、マイクロマシンスイッチの応用例として、複数組の固定接点及び固定電極層が設けられた固定側基板と、前記固定接点に接触する複数の可動接点及び前記固定電極層と対向する可動電極層が設けられた可動側基板とを有し、固定電極層と可動電極層との間に電圧を印加することによって静電吸引力を発生させ、可動接点を固定接点に接触させるマルチマイクロリレーは知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２０００−９０８０１号公報
【特許文献２】特開平６−４４８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、ＭＭＩＣのマイクロマシンスイッチは、図４に模式構成図を示すように、半導体基板３１の上に、マイクロマシンスイッチ３２として静電力駆動型の平行平板容量スイッチ、あるいは、接触スイッチを形成する場合、構造的には上部電極（可動電極）３３と下部電極（固定電極）３４との両電極３３、３４の間の接触面３３ａ、３４ａとなる対向面が、平坦になっている構造が用いられていた。
【０００６】
しかしながら、図５に拡大模式図を示したように、半導体基板３１の上に形成された固定電極３４とそれに対向して配置された可動電極３３との両電極３３、３４の間の接触面３３ａ、３４ａとなる対向面が、平坦になっている構造では、両電極３３、３４を実際に接触させた際、接触面３３ａ、３４ａをミクロ的に見てみると、両接触面３３ａ、３４ａの表面には細かい凹凸がある。そのため、両接触面３３ａ、３４ａ接触は、面接触ではなく、点接触になっている。その結果、マイクロマシンスイッチ３２は、設計パターンサイズから計算される容量値や接触抵抗値に差が存在してしまい、素子の作動上から好ましくない。
【０００７】
なお、図６に模式拡大図を示したように、可動電極３３と固定電極３４との両電極３３、３４の接触面３３ａ、３４ａの表面精度を上げて、表面をより平滑にした場合は、接触した両電極３３、３４の平面同士の密接により静電接触状態が保たれ、スイッチのＯＦＦ状態が迅速に追従できない。そのため、スイッチ機能としての問題が生じる。
【０００８】
また、図７に拡大模式図を示したように、可動電極３３は梁状の形状であるので、その形状的な影響で、可動電極３３が固定電極３４に対して接触面３３ａの全体が同時に接触することは難しく、可動電極３３の一部が固定電極３４に接触し始めてから、全体が固定電極３４に接触するまでに時間差が生じる。その結果、時間的に駆動時電力の差が発生してしまう。その結果、所望の電圧に達する前にスイッチとして駆動してしまうことになり、スイッチング特性として好ましくない。
【０００９】
上述のように、従来の平行平板型のマイクロマシンスイッチは、設計パターンサイズに対する容量値効率や接触抵抗効率が悪く、所望の値を得るためには、必要以上のパターンサイズが必要になる。それにより、ＭＭＩＣの大型化が避けられず、また、スイッチング動作として性能が劣るため、動作仕様が限定されてしまうため汎用性にかけるという問題点を解決しなければならなかった。
【００１０】
本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもので、小型であってもスイッチング動作特性が安定し、かつ、汎用性のあるマイクロマシンスイッチを備えたＭＭＩＣを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、半導体基板と、この半導体基板に設けられたマイクロ波トランジスタと、前記半導体基板に設けられ前記マイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路と、前記半導体基板に設けられたマイクロマシンスイッチを有するモノリシックマイクロ波集積回路であって、
前記マイクロマシンスイッチは、前記半導体基板側に設けられた固定電極とこの固定電極に対向して設けられた可動電極による平行平板構造で、かつ、両電極の接触面は相互に噛み合うような凹凸形状に形成されていることを特徴とするモノリシックマイクロ波集積回路である。
【００１２】
また本発明によれば、前記可動電極は、前記固定電極との接触面の背面側に該可動電極よりも硬質部材で形成された梁用電極を有していることを特徴とするモノリシックマイクロ波集積回路である。
【００１３】
また本発明によれば、前記固定電極と可動電極との接触面に形成された凹凸形状はジグザグ状であることを特徴とするモノリシックマイクロ波集積回路である。
【００１４】
また本発明によれば、半導体基板にマイクロ波トランジスタの半導体素子部分を作る素子作成工程と、前記半導体基板にマイクロ波トランジスタの電極を形成する電極作成工程と、前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタの電極を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記半導体基板にマイクロマシンスイッチを形成するスイッチ形成工程と、前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路を形成する伝送路形成工程とを備えたモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法であって、
前記スイッチ形成工程は、対向して配置されている固定電極と可動電極との接触面が相互に噛み合うように、前記固定電極と可動電極との接触面に対して凹凸形状に形成する工程を含んでいることを特徴とするモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、マイクロマシンスイッチ部の設計パターンサイズを余り大きくすることが無く、かつ、高い容量値効率や接触抵抗効率を得ることが出来るので、ＭＭＩＣの大型化を抑制することが出来る。
【００１６】
また、マイクロマシンスイッチを構成する両電極の接触面を均一に接触させることにより、スイッチング動作特性を向上させ、ＭＭＩＣの汎用性を向上させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係るＭＭＩＣについて図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施形態に係るＭＭＩＣ１の縦断面図である。ＭＭＩＣ１は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等からなる半導体基板２と、この半導体基板２の左端部に設けられたマイクロ波トランジスタ３と、このマイクロ波トランジスタ３を配線するための伝送線路４と、半導体基板２の右端部に設けられたマイクロマシンスイッチ５とを備えて構成されている。
【００１９】
上記マイクロ波トランジスタ３は、ＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ）や、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂｉｐｏｌｏｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタで構成されている。このマイクロ波トランジスタ３は、半導体素子部分（図示しない）と、ソース電極６と、ドレイン電極７と、ゲート電極８とを備えている。図１においては、ソース電極６、ドレイン電極７の上にそれぞれ伝送線路４、４が設けられている。
【００２０】
また、マイクロマシンスイッチ５は、半導体基板２に設けられた、Ａｕの固定電極（下部電極）９とこの固定電極９と対向するように設けられた例えば橋架状（可動梁）をなすＡｕの可動電極（上部電極）１０とから構成されている。
【００２１】
マイクロマシンスイッチ５は、図２（ｊ）に拡大断面側面図を示したように、固定電極９と可動電極１０とは対向する部位である接触面９ａ、１０ａが相互に噛合するように「＜」を組合せたジグザグ状の凹凸形状に形成されて半導体基板２に設けられている。なお、ジグザグ状等の凹凸形状は、図示したように、「＜」を組合せた形状に限らず、「凹凸」の形状であってもよい。つまり、相互に噛み合って接触する形状であれば任意の形状でよい。
【００２２】
また、可動電極１０の固定電極９との接触面９ａ、１０ａの反対側には、蒸着によりＴｉの１００００オングストロームの厚さの硬質の梁用電極１１が形成されている。
【００２３】
マイクロマシンスイッチ５は、図２に示したように、固定電極９と可動電極１０とが対向した状態では、両電極間をマイクロ波が流れないように構成されている。そして、固定電極９と可動電極１０との間に電圧を印加して、両電極間に静電引力を発生させることにより、可動電極１０を固定電極に接近させて可動電極１０を変形させると、両電極９、１０の間の容量が増加し、両電極９、１０の間をマイクロ波が流れるように構成されている。即ち、マイクロマシンスイッチ５は、固定電極９と可動電極１０間に印加する電圧を制御することにより、マイクロ波のスイッチとして機能するものである。
【００２４】
その場合、両電極９、１０の接触面９ａ、１０ａは平坦ではなく、相互に噛合するジグザグ状等の凹凸形状に形成されている。そのため、両電極９、１０の接触面９ａ、１０ａは平坦時と同一の電極サイズであっても、より広い接触面９ａ、１０ａを得ることができて、電気的に確実な接触が得られる。
【００２５】
また、可動電極の接触面１０ａの裏側に硬質のＴｉからなる梁用電極１１を設けたことにより、可動電極の接触面１０ａが固定電極９の接触面９ａに噛合して接触する際に、可動電極の接触面１０ａの全域がほぼ同時に接触することができる。
【００２６】
なお、可動電極１０を固定電極９に接近させる場合には、低周波の電圧を固定電極９と可動電極１０との間に印加することにより、可動電極１０を振動（共振）させるように構成することが好ましい。また、固定電極９の側にストッパ用の凸部（図示しない）を設け、この凸部に可動電極１０を当接させることにより、可動電極１０が固定電極９に直接接触しないような構造としても良い。
【００２７】
次に、上述の構造を有するＭＭＩＣ１の製造方法について説明する。なお、マイクロマシンスイッチ５の部位以外は、周知の半導体製造プロセスによって製造されているので、その部分については図１を参照して、ごく概要を説明する。
【００２８】
まず、半導体基板２の上面に、マイクロ波トランジスタ３の半導体素子部分（図示しない）を周知の半導体プロセス技術により作製する。続いて、半導体基板２の上面に、マイクロ波トランジスタ３のソース電極６、ドレイン電極７、ゲート電極８を形成する。
【００２９】
マイクロ波トランジスタ３の電極６、７、８を作製した後は、絶縁膜１２を例えばＰ−ＣＶＤ等の方法により半導体基板２の上面全面に形成する。これにより、マイクロ波トランジスタ３の電極６、７、８が絶縁膜１２により覆われる。
【００３０】
続いて、絶縁膜１２のうちのマイクロ波トランジスタ３の所定の電極（具体的には、ソース電極６及びドレイン電極７）上の部位に、例えばＣＦ４によるＲＩＥや、ＨＦ水溶液によるウエットエッチング等の方法によってコンタクトホール（図示しない）を形成する。
【００３１】
その後、Ａｕを電解メッキすることにより、伝送線路４を形成する。
【００３２】
次に、第３図（ａ）〜（ｊ）に示した上述のＭＭＩＣ１のマイクロマシンスイッチ５の部位の製造方法についての製造工程毎に示した説明図により、マイクロマシンスイッチ５の部位の製造方法について説明する。
【００３３】
第３図（ａ）〜（ｊ）は、上述のＭＭＩＣ１のマイクロマシンスイッチ５の部位の製造方法について、製造工程毎に示した説明図である。
【００３４】
まず、第４図（ａ）に示すように、表面にフオトレジストが塗布された半導体基板２（ＧａＡｓ基板）に対して、周知のフォトリソグラフィを用いて所定のパターンを形成後に、現像してエッチング用マスク１３を形成する。
【００３５】
その際のパターンは、第３図（ｂ）に示したように、結晶方位（１００）のＧａＡｓ結晶の基板２の表面では、結晶方位（１１０）面の等方性エッチングを施すと、エッチング面が順テーパー１４になることが分かつているので、それに応じた形状のパターニングを施してパターンを形成する。
【００３６】
次に、表面にパターンが形成されたエッチング用マスク１３を有する半導体基板２に対して、ウエットエッチング処理を施す。ウエットエッチングはディップ方式でもスピン方式でも良い。薬液としては燐酸系の例えば、熱燐酸（Ｈ３ＰＯ４）を用いる。ウエットエッチング後にエッチング用マスク１３のレジストを洗浄して除去すると、第３図（ｃ）に示したように、所定のジグザグ状の凹凸形状の基板エッチング部１５が形成された半導体基板２が得られる。
【００３７】
次に、第３図（ｄ）に示したように、所定のジグザグ状の凹凸形状の基板エッチング部１５が形成された半導体基板２に対して、蒸着装置（不図示）を用いたリフトオフ法により、所定のジグザグ状の凹凸形状の基板エッチング部１５に選択的にＡｕを１００００オングストロームの厚さで蒸着し、凹凸形状の下部電極である固定電極９を形成する
次に、第３図（ｅ）に示したように、固定電極９の上に誘電体膜１６としてプラズマＣＶＤ法により、Ｓｉ３Ｎ４膜を１０００オングストロームの厚さで堆積させる。その後、不必要部分をエッチングにより除去して、第３図（ｅ）で示した所定のジグザグ状の凹凸形状を得る。
【００３８】
次に、第３図（ｆ）に示したように、フォトリソグラフィによりフォトレジストにより、後述する可動電極（上部電極）１０のばね部１０ｂの凹凸形状のレジストパターン１７を形成する。
【００３９】
次に、第３図（ｇ）に示したように、レジストパターン１７の上に、蒸着装置を用いたリフトオフ法によって、例えば、Ａｕの厚さ１００００オングストロームの薄膜を蒸着し、凹凸形状を有する可動電極１０を形成する。
【００４０】
更に、第３図（ｈ）に示したように、リフトオフ法を用いて、可動電極１０の接触面１０ａの反対側に、例えば、Ｔｉの厚さ１００００オングストロームの薄膜を蒸着する。それにより上部電極の凹凸形状に沿った梁用電極１１を形成する。
【００４１】
その後、第３図（ｉ）に示したように、ドライエッチング等により、可動電極１０のばね部１０ｂを形成する際に用いたレジストパターン１７や誘電体膜１６（Ｓｉ３Ｎ４膜）の除去を行う。それによって、マイクロマシンスイッチ５としての所定の構成を得る。
【００４２】
その後、例えば、所定の構成が形成されたマイクロマシンスイッチ５の全体を、３００℃の熱板（不図示）にて加熱し、加熱後に常温まで冷却することにより、ＧａＡｓとＡｕの熱膨張係数の差により可動電極１０の折り目が伸びきるようにする。その結果、第３図（ｊ）に示したように、固定電極９と可動電極１０との対向する接触面９ａ、１０ａが相互に噛み合うようなジグザグ状の形状に形成された構造のマイクロマシンスイッチ５が完成する。その際、可動電極１０の接触面１０ａは、接触面１０ａの裏面に形成された梁用電極１１によって熱強度を増しているため、常に接触面１０ａの形状を維持することができて、スイッチとして良好な作動をおこなうことができる。
【００４３】
マイクロマシンスイッチ５が、このような構造を形成することにより、スイッチを駆動させた際に、両電極間９、１０の接触面９ａ、１０ａの面積が増え、かつ、接触面９ａ、１０ａの全体が同時に接触することが可能となるので、良好なスイッチング動作が得られる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上述の実施の形態では、説明の便宜のために各機能を有する部分に個別の名称を付して説明したが、各機能を有する部分を兼用し、或いは、更に細分化して実施するなど種々設計変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係るモノリシックマイクロ波集積回路の縦断面図。
【図２】本発明の実施形態に係るモノリシックマイクロ波集積回路のマイクロマシンスイッチの拡大断面側面図
【図３】本発明の実施形態に係るモノリシックマイクロ波集積回路のマイクロマシンスイッチの製造方法について、製造工程毎に示した説明図である。
【図４】従来のモノリシックマイクロ波集積回路のマイクロマシンスイッチの模式構成図。
【図５】従来のモノリシックマイクロ波集積回路のマイクロマシンスイッチの接触面の説明図。
【図６】従来のモノリシックマイクロ波集積回路のマイクロマシンスイッチの動作時の説明図。
【図７】従来のモノリシックマイクロ波集積回路のマイクロマシンスイッチの動作時の説明図。
【符号の説明】
【００４６】
１…モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）、２…半導体基板、３…マイクロ波トランジスタ、４…伝送路、５…マイクロマシンスイッチ、９…固定電極、１０…可動電極、９ａ、１０ａ…接触面、１１…梁用電極、１３…エッチング用マスク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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